Andreas Nadler, ingeniero de aplicaciones de campo, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, appnotes@we-online.de

En el caso de convertidores CC / CC con entradas y salidas relativamente altas, a menudo es necesario instalar filtros en la entrada y salida para reducir las emisiones de interferencias. Sin embargo, con altas corrientes de entrada y salida, es difícil encontrar un compromiso entre la eficiencia, el tamaño, la atenuación y el costo del filtro y la etapa de potencia real. Un ejemplo basado en un diseño CC / CC Buck-Boost de 100 vatios ilustra las consideraciones que deben hacerse en términos de diseño y selección de componentes.

Figura 1 - Placa de demostración del convertidor Buck-Boost de 100 W.

Desarrolle un convertidor Buck-Boost con las siguientes especificaciones:

Dados estos estrictos requisitos, es esencial crear un diseño compacto de baja inducción, con filtros adecuados para el variador. En términos de compatibilidad electromagnética, los cables de entrada y salida son las antenas dominantes en el rango de frecuencia hasta 1 GHz. Dependiendo de su modo de funcionamiento, el convertidor tiene bucles de corriente de alta frecuencia en la entrada y salida (como se muestra en la figura 2), por lo que ambos deben tener un filtro. Esto evita que las interferencias de alta frecuencia de los MOSFET de conmutación rápida se irradien a través de los cables. Este ejemplo de aplicación ofrece un diseño muy versátil gracias a un amplio rango de voltaje de entrada de hasta 60 VCC, frecuencia de conmutación ajustable y la capacidad de controlar cuatro MOSFET externos.

El diseño se basa en un PCB de seis capas de doble cara y una frecuencia de conmutación de 400 kHz. La ondulación de la corriente en el choque debe ser aproximadamente el 30% de la corriente nominal. Los MOSFET de 60 V tienen baja resistencia de conducción (RDS (encendido)) y baja resistencia térmica (Rth). La figura 3 muestra un diseño de circuito simplificado.

La plataforma de diseño en línea REDEXPERT le permite elegir el inductor de forma rápida y precisa. En este ejemplo, los parámetros operativos (voltaje de entrada Vin, frecuencia de conmutación fsw, corriente de salida Iout, voltaje de salida Vout y rizado de corriente) deben ingresarse una vez para la operación reductora y una vez para la operación de refuerzo. . En el modo reductor, el resultado es una mayor inductancia y un pico de corriente de pico más bajo (7,52 µH y 5,83 A). En el modo de refuerzo, el resultado es una menor inductancia y un pico de corriente pico más alto (4.09 µH y 7.04 A).

Se ha seleccionado una bobina blindada de 6,8 µH 15 A de la serie WE-XHMI. Cuenta con un RDC muy bajo y dimensiones extremadamente compactas de solo 15 mm x 15 mm x 10 mm (lxwxh). El innovador material del núcleo permite un comportamiento de saturación suave e independiente de la temperatura.

Con pulsos de alta corriente a través de los condensadores de bloqueo y baja ondulación, lo más adecuado es una combinación de polímero de aluminio y condensadores cerámicos. Al determinar la ondulación máxima de los voltajes en la entrada y salida, las capacidades necesarias se pueden calcular de la siguiente manera:

(D = ciclo de trabajo, establecido por REDEXPERT en 0,78) Seleccionado: 6 x 4,7 F / 50 V / X7R = 28,2 µF (WCAP-CSGP 885012209048)

Con la ayuda de REDEXPERT es fácil determinar la polarización de CC de los condensadores (MLCC), que es un valor muy práctico. Se puede esperar una caída del 20% en la capacitancia con un voltaje de entrada de 24 V. El resultado es una capacitancia efectiva de solo 23 µF, que aún es suficiente. En paralelo a los condensadores cerámicos, se conecta una red de la serie RC compuesta por un condensador WCAP-PSLC de polímero de aluminio de 68 µF / 35 V y una resistencia SMD de 0,22 Ω. Se utiliza para mantener la estabilidad con respecto a la impedancia de entrada negativa del convertidor de voltaje en combinación con el filtro de entrada. Dado que este condensador también está sujeto a pulsos de alta corriente, un condensador electrolítico de aluminio no es adecuado ya que se calentaría rápidamente debido a su mayor resistencia en serie equivalente (ESR).

Los condensadores de salida se seleccionan de la misma forma.

Selección: 6 x 4,7 µF / 50 V / X7R = 28,2 µF - 15% de polarización de CC = 24 µF (WCAP-CSGP 885012209048)

Además, un condensador de polímero de aluminio (WCAP-PSLC 220 µF / 25 V) muestra una respuesta suficientemente rápida a los transitorios.

El diseño de la placa de circuito impreso requiere algunas consideraciones. Por ejemplo, los lazos de entrada y salida que causan un valor alto de ΔI / Δt deben permanecer compactos colocando los condensadores cerámicos de bloqueo uno cerca del otro. El circuito de arranque debe ser compacto y estar cerca del circuito integrado de conmutación. Se requiere un filtro Pi de banda ancha para desacoplar la potencia de conmutación. Y se deben usar tantas formas como sea posible para hacer una conexión de baja inducción y baja impedancia a las capas internas de tierra de energía y la parte inferior de la placa. Aunque las grandes superficies de cobre proporcionan excelentes disipadores de calor y un RDC bajo, no deben ser demasiado grandes para evitar acoplamientos capacitivos e inductivos con circuitos vecinos.

Para dar respuesta a la mayoría de aplicaciones, el convertidor debe cumplir con los límites de clase B (ambiente doméstico) en sus emisiones, tanto en el rango conducido (150 kHz a 30 MHz) como en el rango radiado (30 MHz a 1 GHz). Además de la pérdida de inserción, es importante para las altas corrientes requeridas que los componentes inductivos tengan la RDC más baja posible para mantener la eficiencia y el autocalentamiento dentro de un rango aceptable. Desafortunadamente, un RDC bajo también significa un diseño más grande. Por esta razón, es especialmente importante utilizar componentes de última generación que ofrezcan un buen compromiso entre RDC, impedancia y tamaño. Tanto la serie WE-MPSB como el diseño compacto de la serie WE-XHMI son adecuados en este caso. Para componentes de filtros capacitivos superiores a 10 µF, se pueden utilizar condensadores electrolíticos de aluminio de bajo costo. No es necesario tener en cuenta las corrientes onduladas, ya que el inductor del filtro bloquea de forma eficaz estas corrientes. Por lo tanto, una ESR más alta no es un inconveniente, lo que lleva a una calidad de filtro más baja que evita resonancias no deseadas. Las pérdidas adicionales a través de los filtros se deben a las pérdidas óhmicas de los inductores.

El criterio de selección clave para los componentes de filtrado es que logren supresión de interferencias de banda ancha de 150 kHz a 300 MHz para EMC conducida y radiada. El esfuerzo de filtrado se puede reducir si se utilizan cables más cortos o no se utilizan tanto en la entrada como en la salida. La Figura 4 muestra los rangos activos de cada uno de los componentes del filtro en el rango de frecuencia correspondiente.

La temperatura máxima de los componentes medida con una cámara termográfica es inferior a 64 ° C (figura 6), lo que proporciona un buen margen de seguridad para temperaturas ambiente más altas, así como un bajo estrés en los componentes. La eficiencia también está en un nivel muy alto (modo reductor: 96,5%; modo boost: 95,6%), especialmente porque se han tenido en cuenta todos los componentes de los filtros.

Las Figuras 7 y 8 muestran los resultados de medición mejorados del circuito con los filtros colocados. Tanto los picos bien definidos en el rango de baja frecuencia de las interferencias conducidas como toda la curva de medición de las interferencias radiadas tienen ahora un margen de seguridad suficiente por debajo de los valores límite requeridos.

Andreas Nadler, ingeniero de aplicaciones de campo, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG.

A pesar de un diseño de PCB muy cuidado, así como componentes activos y pasivos adecuados, un convertidor CC / CC de alta potencia que cumpla con la clase B no se puede lograr sin filtros adicionales con especificaciones muy estrictas (líneas largas, falta de blindaje, etc.) . Anticipándose a esta situación esperada, se instalaron los filtros adecuados de antemano. El resultado es un convertidor Buck-Boost de 100 W flexible, altamente eficiente y compatible con la Clase B. Para crear una PCB aún más compacta, los dos bancos de filtros pueden girarse 90 ° o colocarse en la parte inferior de la placa de circuito impreso. Los programas de diseño y simulación como REDEXPERT y LTSpice son de gran ayuda para alcanzar el objetivo deseado de forma rápida y rentable.

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